唐春闺，翟争光，钟越峰，李建勇，彭孟祥，黎娟

1 湖南省烟草公司长沙市公司，长沙市劳动东路359号 410011；

2 湖南省烟草公司长沙市公司浏阳市分公司，浏阳市金沙北路868号 410300；

3 湖南农业大学农学院，长沙市芙蓉区农大路1号 410128

土壤有效态Cu、Zn、Fe和Mn等微量元素是土壤质量的重要组成部分[1]，其含量的高低直接影响作物对其吸收的多少。作物对微量元素的需求量虽然不如大量元素多，但也同等重要，无法被替代。微量元素Cu、Zn、Fe和Mn参与作物体内的氧化还原反应，是众多氧化酶的组成成分之一[2]，也是作物体内生长素和叶绿素合成所需的重要元素[3,4]，影响作物光合作用、呼吸作用和碳氮代谢等生理过程[5,6]。

烟草和水稻分别是我国重要的经济作物和粮食作物，烟稻轮作是湖南烤烟区的主要种植模式之一。微量元素的有效性受土壤成土母质、pH、有机质、种植模式、施肥和气候等因素的影响[7-10]，但由于湖南烟稻轮作区长期人工和小型机械的耕作活动，土层物理结构的变差[11]是否影响了微量元素的有效性鲜有报道。因此，本文以湖南烟稻轮作区的剖面土壤为研究对象，分析了微量元素Cu、Zn、Fe和Mn的不同土层分布、丰缺状况与有效性指数，探讨了4种微量元素与容重的关系，目的是为湖南烟稻轮作区的土壤微量元素精准调控及合理耕作层构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为中国中部湖南省的烟稻轮作区，主要集中在湘东和湘南地区，平均气温一般为16～19℃，光、热、水资源丰富，属于大陆性亚热带季风湿润气候。地貌类型多样，东、南、西三面环山，中部丘岗起伏，北部平原为主。

1.2 土壤样品采集

于2018年烤烟种植前，在郴州、衡阳和长沙3个典型烟稻轮作区各选取10块田，利用50 cm土柱取样器（型号：QTZ-1，直径：7.5 cm）采用五点取样法采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm剖面土壤，共150个土壤样品，带回实验室风干、研磨后过筛制成待测样品。取0～50 cm剖面土壤时划分耕作层与犁地层，测量耕作层厚度，测得郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区耕作层厚度分别在8.20～13.40 cm、10.60～16.40 cm和9.50～16.40 cm。

1.3 土壤检测指标及方法

土壤有效铜（Available Cu）、有效锌（Available Zn）、有效铁（Available Fe）和有效锰（Available Mn）用DTPA浸提，采取原子吸收分光光度法测定；容重测定采用环刀法，称量环刀及环刀和土样，烘干后计算土壤容重，具体测定方法参照文献[12]。

1.4 土壤微量元素含量分级标准、临界值及有效性评价

参考前人研究[13,14]，划分了湖南烟稻轮作区土壤微量元素含量不同等级和临界值（表1），而后计算各种微量元素单项有效性指数（Ei），并采用均根方法计算综合有效性指数（Et），以此评价土壤微量元素有效性。Ei和Et的计算公式如下：

式中：Ci为i微量元素的实测值；Si为i微量元素的临界值；n为微量元素种类。

1.5 数据处理

采用SPSS 24和Excel软件处理数据并进行多重比较、Pearson相关分析和线性回归分析。Origin 8.1软件作图。

表1 湖南省植烟土壤微量元素分级标准及临界值Tab. 1 Classification standard and critical value of trace elements in tobacco planting soil of Hunan Province

2 结果

2.1 不同土层微量元素含量及丰缺状况

2.1.1 有效铜

如图1所示，0～50 cm土层有效铜含量在0.47～11.01 mg·kg-1，0～10 cm与10～20 cm土 层 有 效铜含量无显著差异，且其均极显著高于20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土层（P＜0.01）。0～30 cm土层有效铜含量均值呈“极丰富”，30～50 cm土层有效铜含量均值呈“丰富”。在150个土壤样品中，只有1.33%的样品有效铜含量为“低”。

图1 有效铜垂直分布特征及丰缺状况Fig. 1 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Cu

2.1.2 有效锌

如图2所示，0～50 cm土层有效锌含量在0.29～5.41 mg·kg-1，0～10 cm土层有效锌含量极显著高于10～20 cm土层（P＜0.01），且两者均极显著高于20～50 cm土层（P＜0.01）。0～20 cm土层有效锌含量“丰富”，20～30 cm土层有效锌含量“中等”，30～50 cm土层有效锌含量“低”。在150个土壤样品中，有34%的样品有效锌含量为“低”，9.33%的样品为“极低”。

图2 有效锌垂直分布特征及丰缺状况Fig. 2 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Zn

2.1.3 有效铁

如图3所示，0～50 cm土层有效铁含量在0.21～66.06 mg·kg-1，0～20 cm土层有效铁含量极显著高于20～50 cm土层（P＜0.01），20～30 cm土层有效铁含量与30～50 cm土层无显著差异。0～30 cm土层有效铁含量“丰富”，30～50 cm土层有效铁含量“中等”。在150个土壤样品中，有10%的样品有效铁含量为“低”，20.67%的样品为“极低”。

图3 有效铁垂直分布特征及丰缺状况Fig. 3 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Fe

2.1.4 有效锰

如图4所示，0～50 cm土层有效锰含量在1.56～49.03 mg·kg-1，0～10 cm土层有效锰含量极显著高于20～50 cm土层（P＜0.01），10～20 cm土层有效锰含量与20～50 cm土层无显著差异。0～50 cm土层有效锰含量均为“中等”。在150个土壤样品中，有24%的样品有效锰含量为“低”，19.33%的样品为“极低”。

图4 有效锰垂直分布特征及丰缺状况Fig. 4 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Mn

2.2 不同土层微量元素有效性评价

采用单项有效性指数（Ei）和综合有效性指数（Et）评价各土层微量元素的有效性，如表2所示。由表可知，土壤有效铜和有效锌的单项有效性指数（Ei）均随着土层加深而变小，而有效铁和有效锰在40～50 cm土层其Ei指数略高于30～40 cm土层。从综合有效性指数（Et）来看，0～10 cm土层Et指数最高，且呈现逐层递减的趋势；Et指数在10～20 cm与20～30 cm之间变化幅度最大，10～20 cm比20～30 cm土层综合有效性指数（Et）提高74.24%。

表2 不同土层微量元素有效性指数Tab. 2 The availability index of trace elements in different soil layers

2.3 不同土层微量元素与容重的关系

2.3.1 Pearson相关分析

通过对不同土层微量元素与容重的相关分析可知（表3），在0～20 cm土层4种微量元素与容重均无显著相关性；而在20～50 cm土层，有效铜、有效锌和有效锰均与容重存在显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）相关性，有效铁与容重无显著相关性。其中，20～50 cm土层有效铜和有效锰与容重的相关性随着土层的加深而逐渐增强。

表3 不同土层微量元素与容重的Pearson相关分析Tab. 3 Pearson correlation analysis between trace elements and bulk density in different soil layers

2.3.2 线性回归分析

不同土层有效铜、有效锌和有效锰与容重的回归分析分别如图5、图6和图7所示。由图可知，在20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土层中，有效铜、有效锌和有效锰与容重的回归模型均符合线性模型，且有效铜、有效锌和有效锰含量均随着容重的增大而变小。有效铜和有效锰的线性拟合优度（R2）随着土层的加深逐渐升高，有效锌的线性拟合优度以30～40 cm土层最低，40～50 cm土层最高。

图5 不同土层有效铜与容重的线性回归分析Fig. 5 Linear regression analysis of available Cu and bulk density in different soil layers

图6 不同土层有效锌与容重的线性回归分析Fig. 6 Linear regression analysis of available Zn and bulk density in different soil layers

图7 不同土层有效锰与容重的线性回归分析Fig. 7 Linear regression analysis of available Mn and bulk density in different soil layers

3 讨论

烟稻轮作是一种水旱轮作的复种方式，其与烟玉轮作或烟草单作等种植制度相比，能有效降低土传病害对作物的侵害[15]，且烟稻轮作田块干湿交替的环境有利于改善土壤理化特性[16]，对土壤健康与作物优质高产均具有积极意义。微量元素是烟草、水稻、小麦和油菜等作物生产中所必需的营养元素，其丰缺状况对作物的品质和产量也有一定的影响。有研究表明[17]，土施锌肥可显著提高水稻茎秆、叶片和籽粒中的锌含量，增加水稻穗数，提高水稻产量。在本研究中，湖南烟稻轮作区0～50 cm土层有效态微量元素Cu含量丰富，Fe含量中等偏丰富，Mn含量中等，只有Zn含量在30～50 cm土层低，微量元素Cu、Zn、Fe和Mn含量呈表层富集化，且自土壤表层向下逐层递减，这与赵串串等[18]和胡瑞文等[19]研究结果相似。在0～50 cm土层的150个土壤样品中，有90.67%的样品有效铜含量达到丰富与极丰富水平，而铜在土壤中的移动性很差，外源铜元素易富集于土壤表层[20]，故在今后烟草和水稻生产中，应注重控制使用含硫酸铜的肥料和农药，防止Cu对作物生长出现致毒效应。

以往对土壤微量元素有效性评价的研究[21]多数关注土壤表层，这适用于评价长期以旋耕为主的耕作层较浅的农田，其作物根系分布浅层化，无法深下扎吸收水分与养分。然而在前人研究[22]中表明，深耕深松等耕作方式可促进作物根系向土壤深层纵向分布，故在改良耕作方式以提高作物产量的同时也需关注土壤深层养分的有效性。本研究评价了0～50 cm土层微量元素的有效性，发现从0～20 cm土层往下，20～30 cm土层微量元素综合有效性指数出现骤减，20～50 cm土层微量元素有效性远低于0～20 cm土层。建议在深耕深松改善耕层土壤结构时，应重视有机肥的投入以促进20～30 cm土层微量元素与有机化合物形成可溶的络合物，提高微量元素有效性[23]。

合理的耕层结构是保障作物良好生长和优质高产的根基，土壤容重是土壤重要的物理性质之一，它直接或间接地反映了土壤的透气性、持水能力、入渗性能和有机碳贮量[24-26]，低容重有机质含量高的土壤有更强的生产力。本研究发现，在0～20 cm土层，容重与有效态微量元素含量无显著相关性；而在20～50 cm土层，容重显著影响了有效铜、有效锌和有效锰含量，且均随着容重的增大而减少。容重与土壤养分元素呈显著负相关这与张晓龙等[27]研究结果有相似之处，其原因可能是旋耕等常规耕作方式虽然能疏松0～20 cm土层的土壤，但其机械活动会压实20～30 cm土层，造成土壤孔隙度变小，容重增大，引起空气和水分减少[28]，不利于微生物的活动和养分循环[29]，且有机质含量随容重升高而下降[30]，致使养分的有效性随之降低。

4 结论

湖南烟稻轮作区有效态微量元素Cu、Zn、Fe和Mn含量自0～10 cm土层向下逐层递减，呈表层富集化；0～20 cm土层有效Cu、Zn和Fe含量丰富，Mn含量中等，其微量元素综合有效性指数较高，而20～30 cm土层综合有效性指数骤降；相关分析和回归分析结果表明，微量元素Cu、Zn和Mn与容重在20～50 cm土层负显著相关，其含量均随着容重的增大而减少，呈线性模型。为保障湖南烟稻轮作区农田土壤可持续利用和作物的优质适产，建议严格控制微肥的施用，减少或禁止使用含铜的农药，适度加深耕作层，同时也需重视提升20～30 cm土层的养分有效性。